Тензорезистор

Деформация тензорезистора из фольги. Изменение сопротивления преувеличено для наглядности.

Условное обозначение тензорезисторов на электрических принципиальных схемах.

Фольговые тензорезисторы в упаковке.

Тензорези́стор (от лат. tensus — напряжённый и лат. resisto — сопротивляюсь) — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

Принцип действия

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшает.

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10⁻³) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Полупроводниковый тензорезистор обладает гораздо большей чувствительностью из-за изменения свойств полупроводникового материала при деформации.

Электромеханические параметры

Чувствительность

Чувствительность тензорезистора характеризуется безразмерным параметром — коэффициентом тензочувствительности $K_{f},$ который определяется как:

$K_{f}={\frac {\Delta R/R_{0}}{\epsilon }},$

где:

• $\Delta R$ — абсолютное изменение сопротивления, вызванное деформацией, Ом;
• $R_{0}$ — начальное сопротивление недеформированного тензорезистора, Ом;
• $\epsilon$ — относительная деформация.

Относительная деформация определяется как:

$\epsilon =\Delta L/L_{0},$

где

• $\Delta L$ — абсолютное изменение длины, м;
• $L_{0}$ — длина недеформированного тензорезистора, м.

Для плёночных металлических тензорезисторов параметр $K_{f}$ слабо зависит от деформации и немного превышает 2.

При включении тензорезистора в мост Уитстона, в котором остальные 3 резистора постоянны (не имеют возможности регулирования сопротивления), выходное напряжение диагонали этого моста выражается формулой:

$v={\frac {V_{b}\cdot K_{f}\cdot \epsilon }{4}},$

где:

• $V_{b}$ — напряжение питания моста, В.

Типичные значения коэффициента тензочувствительности для разных материалов приведены в таблице.

Материал	Коэффициент тензочувствительности
Металлическая фольга	2-5
Тонкая металлическая плёнка (например, константановая)	2
Монокристаллический кремний	От −125 до +200
Поликристаллический кремний	±30
Тонкоплёночные резистивные материалы	100

Температурный коэффициент

При изменении температуры изменяется сопротивление тензорезистора, не связанное с деформацией. Это является вредным побочным эффектом. Через коэффициент тензочувствительности относительное изменение сопротивления выражается формулой:

${\frac {\Delta R}{R}}=K_{f}\cdot \varepsilon +\alpha \cdot \theta ,$

где:

• $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления, К⁻¹;
• $\theta$ — изменение температуры, К.

Электрическая схема подключения тензорезистора

Измерительный мост с вольтметром в диагонали. Тензорезистор обозначен $R_{x}.$

Обычно тензорезисторы включают в одно или два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного тока (диагональ моста A—D). С помощью переменного резистора $R_{2}$ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствие приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B—C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор, дифференциальный усилитель или АЦП.

При выполнении соотношения ${\frac {R_{1}}{R_{2}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}}}$ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление $R_{x}$ (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов $R_{x}$ и $R_{3}$ (точки B) и изменение напряжения диагонали B—C моста — полезный сигнал.

Изменение сопротивления $R_{x}$ может происходить не только от деформации, но и от влияния других факторов, главный из них — изменение температуры, что вносит погрешность в результат измерения деформации. Для снижения влияния температуры применяют сплавы с низким ТКС, термостатируют объект, вносят поправки на изменение температуры и/или применяют дифференциальные схемы включения тензорезисторов в мост.

Например, в схеме на рисунке вместо постоянного резистора $R_{3}$ включают такой же тензорезистор, как и $R_{x}$, но при деформации детали этот резистор изменяет своё сопротивление с обратным знаком. Это достигается наклейкой тензорезисторов на поверхности по-разному деформируемых зон детали, например, с разных сторон изгибаемой балки или с одной стороны, но со взаимно перпендикулярной ориентацией. При изменении температуры, если температура обоих резисторов равна, знак и величина изменения сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Также промышленностью выпускаются специализированные микросхемы для работы совместно с тензорезисторами, в которых помимо усилителей сигнала часто предусмотрены источники питания моста, схемы термокомпенсации, АЦП, цифровые интерфейсы для связи с внешними цифровыми системами обработки сигналов и другие полезные сервисные функции.

Конструкция

Плёночный тензорезистор. На подложку через фигурную маску в вакууме напылена или сформирована методами фотолитографии плёнка металла. Для подключения электродов выполнены контактные площадки (снизу). Метки облегчают ориентацию при монтаже.

Обычно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде зигзагообразного проводника, нанесённого на гибкую подложку. Тензорезистор приклеивается подложкой на поверхность исследуемого на деформации объекта. Проводники тензорезисторов обычно изготавливаются из тонкой металлической проволоки, фольги, или напыляются в вакууме для получения плёнки полупроводника или металла. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, полимерную плёнку, слюду и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь тензорезистор имеет выводные проволочные концы или контактные площадки.

Плёночные металлические тензорезисторы имеют площадь около 2‑10 мм².

Применение

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

См. также

• Тензометрия
• Тензодатчик

Ссылки

• Физическая энциклопедия, т. 5 — М.: Большая российская энциклопедия, стр. 70.
• Применение тензодатчиков.
• Конструкция тензорезисторного датчика.
• Тензоэффект в двухслойных плёнках.
• Подключение тензорезистора к Arduino